Космическая защита Земли:
первый эксперимент
П.А.Александров, В.В.Горев
Астрономические наблюдения за ближним и дальним космосом, изучение планет Солнечной системы, интенсивное освоение околоземного пространства заставляют признать реальность астероидно-кометной опасности. С ее проявлениями — соударениями (так называемыми импактными событиями) малых космических тел (МКТ) с Землей и другими планетами Солнечной системы — мы сталкивается систематически. Под МКТ подразумевают космические объекты с размерами от долей миллиметра до многих километров, перемещающиеся в космическом пространстве по баллистическим траекториям (рис.1). К ним относятся кометы, астероиды, метео-роиды и межпланетная пыль. Характерные скорости тел при входе в атмосферу составляют около 20 км/с. При достаточных размерах они угрожают здоровью и даже жизни людей, а также способны причинить экономический ущерб, что выводит проблему из чисто научной в общественно-политическую плоскость. Но последняя точка зрения разделяется не всеми.
Оправданны ли опасения?
В последние десятилетия теме астероидно-кометной опасности посвящаются научные конференции [1 — 5], книги [6—8],
© Александров П.А., Горев В.В., 2014
Петр Анатольевич Александров, доктор физико-математических наук, профессор, директор Института информационных технологий Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Область научных интересов — физика поверхности и нанотехно-логии.
Владимир Васильевич Горев, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник того же института, занимается физикой мощных пучков заряженных частиц, инерциальным термоядерным синтезом.
статьи в специализированных и популярных журналах [9 — 12]. Участники конференций неоднократно призывали разработать международную программу обнаружения и всестороннего исследования угрожающих Земле МКТ, чтобы в итоге создать надежную систему защиты.
Национальные и международные организации, ориентированные на мониторинг МКТ, опасных для всей планеты, были в конце концов учреждены. Резолюция Парламентской ассамблеи Совета Европы (1996) призвала правительства европейских стран поддерживать исследования в этом направлении. Тогда же в Риме родилась международная ассоциация «Космическая стража» («Space Guard»), в состав которой вошла и Россия. Цель «Космической стражи» — организация общей системы обнаружения и определения орбит вызывающих беспокойство астероидов и комет. В 2011 г. при Научном совете РАН по космосу была образована экспертная рабочая группа по космическим угрозам, в которую вошли 50 представителей из научных учреждений РАН, Роскосмоса, МЧС, МО и др.
пылинки: до -1 мм
метеориты: до -30 м
астероиды: более -30 м
кометы: от ~3 км и более
Рис.1. Характерные оценки размеров для различных классов малых космичес ких тел [6].
Однако, оценивая положение дел в этой области в целом, нельзя не заметить, что создание системы космической защиты Земли фактически буксует. Основное внимание сосредоточено на материально-технической базе мониторинга космоса (сети новых телескопов оптического и инфракрасного диапазона наземного и космического базирования, а также радиотелескопов) и на самом мониторинге, чтобы обнаруживать и каталогизировать МКТ (к телам посылаются автоматические станции для изучения их физико-химических свойств). Подобная систематическая исследовательская работа совершенно необходима, так как пока мы знаем о МКТ явно недостаточно, но задачу построения защитной системы она не решает. Нужно одновременно действовать и по другим направлениям, в том числе готовить и проводить прямые активные эксперименты с МКТ. Именно тогда станет ясно, что сегодня реально можно противопоставить угрозе из космоса.
Космическая угроза весьма специфична и в силу этого в целом недооценивается. Во-первых, она относительно маловероятна. Удар небольшого МКТ диаметром около 30—40 м с мощностью взрыва 10—100 мегатонн тротилового эквивалента (Мт ТЭ) можно ожидать один раз в 100—300 лет. Но пока полное число и траектории таких МКТ точно не известны. Во-вторых, потенциальный катаклизм не имеет ограничения сверху по энергии удара. В Солнечной системе есть много небесных тел со размерами и скоростями, значительно большими чем у Тунгусского метеорита. В-третьих, реальной возможности противостоять удару МКТ диаметром более 0.5—1 км нет (такие технологии не существуют и в ближайшие десятилетия вряд ли появятся). В-четвертых, угроза из космоса носит постоянный
характер — она была, есть и никогда не исчезнет. Наконец, оценка вероятности любого события не дает ответа на вопрос, когда именно и где оно произойдет. Например, в ночь на 30 сентября 2013 г. на расстоянии всего 11.3 тыс. км от Земли пролетело МКТ размером 15 —20 м со скоростью около 16 км/с. Оно было обнаружено всего за несколько часов до пролета, и, если бы удар пришелся по поверхности Земли, мощность взрыва составила бы до 0.75 Мт ТЭ.
Глобальность угрозы, которую не устранить усилиями одной страны, требует полноценного международного сотрудничества. Когда работа по обнаружению и систематизации траектории МКТ в Солнечной системе будет выполнена, фактор внезапности их появления вблизи Земли резко снизится, хотя в полной мере его исключить нельзя. Всегда будут возможны неконтролируемые отклонения от расчетных траекторий, в том числе переводящие МКТ с неопасных для Земли траекторий на опасные. Поскольку время наблюдения астероидов сравнимо с периодами их обращения, достоверно выявить существенные отклонения орбит большинства астероидов трудно. Что может случиться с опасным космическим гостем на Земле?
При попадании МКТ в плотную среду его кинетическая энергия превращается в тепловую за время А ~ 1/и (I — длина пробега МКТ, и — его скорость). Конденсированное вещество тела преобразуется в холодную, сильно неидеальную плазму, первоначально находящуюся под давлением 105— 106 атм. Расширяясь, эта плазма наносит удар по окружающей среде, разрушая и разбрасывая вещество, — происходит взрыв. В сплошной среде генерируются ударные волны, распространяющиеся далеко от области взрыва. Если он происходит в атмосфере, возможно сильное световое излучение. Если тело или его обломки достигают твердой поверхности, происходит выброс грунта, по массе приблизительно на три порядка выше массы МКТ, образуется ударный кратер, значительная часть грунта поднимается в виде пыли в верхние слои атмосферы [13, 14]. Удар тела о водную поверхность больших акваторий порождает цунами, причем наиболее катастрофические масштабы явление приобретает, если диаметр МКТ больше 10% от глубины в точке соударения. Поскольку средняя глубина Мирового океана ~4 км, гигантских цунами можно ожидать при размере тела более 0.4 км. Если же он превышает 3 км, общая масса воды, которая будет дополнительно выброшена в верхние слои атмо-
сферы (выше тропопаузы) будет сопоставима с массой водяного пара, уже находящегося там, что приведет (как показали многочисленные расчеты) к скачку температуры в несколько десятков градусов и разрушению озонового слоя.
Известно, что при скорости соударения около 3 км/с удельная кинетическая энергия тела сравнивается с удельной энергией взрывчатого вещества средней мощности типа тринитротолуола (йтнт = 4.2 МДж/кг). При скорости в 30 км/с она уже на два порядка больше, поэтому железный астероид с характерным размером 50—100 м, движущийся с такой скоростью, несет энергию, эквивалентную одной гигатонне ТЭ. Иначе говоря, удельная кинетическая энергия МКТ занимает промежуточное положение между самыми мощными из известных (и перспективных) химических взрывчатых веществ и ядерными материалами.
После входа в атмосферу скорость МКТ падает из-за сопротивления воздуха, т.е. часть энергии уходит на трение. Дальнейший сценарий в сильной степени зависит от размера тела, его скорости, поперечной нагрузки и прочих характеристик. Данные многолетних наблюдений свидетельствуют, что мелкая пыль диаметром до 1 мм полностью сгорает в атмосфере; чаще всего та же участь постигает и более крупные частицы размером до 50 см. Исключение могут составить железные метеориты как самые прочные. Еще более крупные метеороиды (от 0.5 до 30 м) распадаются на мелкие осколки в верхних слоях атмосферы и частью сгорают, а частью достигают земли с небольшой скоростью.
Тела диаметром от 30 до 100 м в поперечнике уже представляют угрозу серьезных разрушений, хоть и на ограниченной территории. Полное энерговыделение при падении стометрового метеорита, движущегося со скоростью 20 км/с, эквивалентно взрыву в 400 Мт ТЭ. Для километрового астероида оценка окажется еще на три порядка большей — такой взрыв может полностью уничтожить небольшую страну, а при попадании в океан вызовет цунами высотой ~ 100 м, которое опустошит все прибрежные регионы.
Потенциально опасными сейчас признаны МКТ, имеющие перигейное расстояние менее 0.05 а.е. (7.5 млн км) и диаметр от 150 м, энерговыделение от которых на поверхности земли составит более мегатонны ТЭ; среди астероидов, сближающихся с нашей планетой, таковых около 20% (рис.2). В принципе на основе имеющегося опыта нижнюю границу размеров следовало бы снизить до нескольких десятков метров.
Рис.2. Распределение по размерам астероидов, проходящих от Земли на расстояние менее 0.1 а.е. ежегодно. О — диаметр астероида, N — число астероидов с размером больше О; штриховыми линиями показаны погрешности [10].
Наглядные примеры
МКТ непрерывно бомбардируют поверхность Земли, однако атмосфера играет роль естественного газового щита для небольших тел. Они могут взрываться в атмосфере, порождая ударную волну, как это произошло с Тунгусским метеоритом, или непосредственно достигать поверхности Земли, нанося по ней сильный удар с образованием кратера и всеми сопутствующими явлениями, как было в Аризоне (диаметр тела ~50 м, энергия взрыва до 150 Мт ТЭ [6], рис.3). Результат удара крупного метеорита по поверхности Марса показан на рис.4.
Рис.3. Кратер Каньон Дьявола (штат Аризона, США) [6].
Рис.4. Кратер Виктория на Марсе [6].
Последнее событие, связанное с падением метеорита, имело место утром 15 февра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.